Lực ma sát là một phần kiến thức quan trọng trong học phần Vật lý từ cấp trung học cơ sở, trung học phổ thông và rất quan trọng trong cuộc sống. Lực ma sát lăn là một trong những lực ma sát có vai trò quan trọng mà mỗi chúng ta cần biết.
1. Lực ma sát là gì?
1.1. Lực ma sát:
Lực ma sát là lực xuất hiện giữa bề mặt tiếp xúc của hai vật, lực ma sát phụ thuộc vào bề mặt tiếp xúc, độ lớn của áp lực, không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc và tốc độ của vật.
Về bản chất vật lý, ma sát được là một loại lực cản trở chuyển động của một vật. Lực ma sát xuất hiện giữa các bề mặt vật chất, chống lại xu hướng thay đổi vị trí tương đối giữa hai bề mặt. Nói một cách khác, lực ma sát là lực cản trở chuyển động.
Khi có xuất hiện ma sát cũng sẽ xảy ra quá trình chuyển hóa năng lượng. Lực ma sát sẽ làm chuyển hóa động năng của chuyển động tương đối giữa các bề mặt chuyển hóa thành dạng năng lượng ở dạng khác. Quá trình chuyển hóa năng lượng này xảy ra do sự va chạm giữa các phân tử của các bề mặt tiếp xúc và gây ra các chuyển động thế năng hoặc nhiệt năng dự trữ trong trong biến dạng của các chuyển động các electron, được tích luỹ thành một phần quang năng hoặc điện năng. Tùy vào trường hợp nhưng đa số trường hợp trong thực tế, động năng của bề mặt sẽ chuyển hóa chủ yếu thành nhiệt năng.
Trong thực tế, lực ma sát giữa các vật thể trong cuộc sống là lực điện từ, đây là lực cơ bản giữa các nguyên tử hay phân tử trong tự nhiên.
Lực ma sát được phân loại thành một số loại như sau: Ma sát trượt, ma sát lăn (ma sát động) và ma sát nghỉ.
1.2. Ứng dụng của lực ma sát:
Lực ma sát luôn xuất hiện trong tự nhiên, Một số ví dụ về sự tồn tại của lực ma sát trong thực tế như sau:
– Đinh được giữ trên tường hay con người cầm nắm được các vật là do ma sát giúp giữ cố định các vật trong không gian (cản trở chuyển động của vật có thể rơi xuống).
– Lực ma sát giúp xe có thể chuyển động trên đường khi vào cua mà không bị trượt (cản trở chuyển động trượt, lao đi)
– Bề mặt quá trơn nhẵn khiến bạn có thể bị trượt ngã do lực ma sát nhỏ.
– Lực ma sát có chuyển hóa thành nhiệt năng nên còn được ứng dựng trong việc đánh lửa bằng đá như người tiền xử hay bằng diêm,…
Tuy nhiên, ma sát cũng có hại khi quá trình chuyển hóa năng lượng của nó làm phát sinh nhiệt năng có thể làm biến chất và mài mòn các bộ phận, bề mặt vật chất. Để giảm ma sát người ta thường làm nhẵn các bề mặt tiếp xúc hoặc dùng chất bôi trơn, bột than chì … (Điều này sẽ giúp giảm hệ số ma sát, từ đó giảm khả năng hao mòn), chuyển ma sát trượt thành ma sát lăn (ví dụ khi kéo thùng hàng đặt trên xe có bánh sẽ dễ hơn đặt dưới đất), giảm ma sát nghỉ (ví dụ tài bắt đầu khởi động khi đang dừng sẽ nhẹ nhàng hơn khi các toa tàu được đặt cách nhau một khoảng trống).
2. Lực ma sát lăn là gì?
2.1. Lực ma sát lăn là gì? Ma sát lăn xuất hiện khi nào?
Lực ma sát lăn là lực cản trở chuyển động lăn, trượt trên bề măt của vật khác (của các vật có hình tròn). Lực ma sát lăn xuất hiện khi một vật lăn trên bề mặt của vật khác, tại nơi tiếp xúc và cản trở chuyển động lăn.
Độ lớn lực ma sát lăn nhỏ hơn các lực ma sát động khác, vì vậy đẩy một chiếc xe có bánh xe sẽ nhẹ nhàng hơn rất nhiều so với đẩy vật cùng khối lượng trượt trên sàn.
Ví dụ thực tế ta thấy các loại phương tiện di chuyển trên đường, sự tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường tạo ra lực ma sát lăn, giúp ngăn chặn sự trượt của bánh xe và giúp nó di chuyển theo hướng mong muốn.
Lực ma sát lăn là một lực rất quan trọng trong cuộc sống. Chẳng hạn trong giao thông hàng ngày, nó ảnh hưởng đến sự di chuyển của các vật lăn trên mặt đường. Sự tăng hay giảm lực ma sát lăn có thể làm thay đổi tốc độ di chuyển và cảm giác của người lái xe. Nếu lực ma sát lăn quá lớn, nó cản trở chuyển động, gây khó khăn cho việc di chuyển và tiêu tốn năng lượng nhiều hơn. Ngược lại, nếu lực ma sát lăn quá nhỏ, vật di chuyển có thể bị trượt và mất
– Ví dụ: Khi đẩy hàng bằng xe đẩy thì bánh xe lăn trên mặt đường, xuất hiện lực ma sát lăn giữa bánh xe và mặt đường.
2.2. Đặc điểm của lực ma sát lăn:
Lực ma sát lăn và lực ma sát trượt có một số đặc điểm giống như:
– Xuất hiện ở sát bề mặt tiếp xúc.
– Phương chuyển động của lực song song với bề mặt tiếp xúc.
– Chiều chuyển động của lực ngược chiều với chiều chuyển động tương đối so với bề mặt tiếp xúc.
– Hệ số ma sát lăn nhỏ hơn rất nhiều lần hệ số ma sát trượt: Độ lớn: Fmst = μt N; N: Độ lớn áp lực (phản lực)
2.3. Có những yếu tố ảnh hưởng đến lực ma sát lăn:
Lực ma sát lăn có thể bị ảnh hưởng bởi những yếu tố sau đây:
– Tính chất của bề mặt tiếp xúc: Bề mặt tiếp xúc để tạo ra lực ma sát có độ bằng phẳng cao sẽ tạo ra ít lực ma sát lăn hơn so với bề mặt có độ bằng phẳng thấp. Ngoài ra, bề mặt có độ cứng khác nhau cũng ảnh hưởng đến lực ma sát lăn.
– Trọng lượng vật chuyển động: Trọng lượng của vật càng lớn thì lực ma sát tạo ra lăn càng lớn.
– Vận tốc di chuyển: Là một lực cản trở chuyển động của vật, nên khi vật di chuyển, lực ma sát lăn sẽ tăng khi vận tốc của vật tăng.
– Sự ảnh hưởng của lực khác: Nếu có sự tác động của các lực khác như lực hút, lực đẩy, lực gió, lực hãm… cũng có thể ảnh hưởng đến lực ma sát lăn.
– Nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng lên, tác động của nhiệt độ lên độ nhám của bề mặt có thể làm lực ma sát lăn có thể giảm xuống.
2.4. Vai trò của lực ma sát lăn:
Vì lực ma sát lăn rất nhỏ so với lực ma sát trượt nên để hạn chế tác hại của ma sát trượt, người ta tìm cách thay thế ma sát trượt bằng ma sát lăn nhờ các ổ bi, con lăn… Ma sát lăn giúp cho vật chuyển động dễ dàng hơn.
Ví dụ, người ta ứng dụng lý thuyết của ma sát lăn trong cuộc sống như:
– Sử dụng con lăn để di chuyển thùng hàng.
– Chế tạo ổ bi, ổ trục giúp giảm thiểu sự mài mòn của trục bánh xe.
Vì vậy, để giảm thiểu lực ma sát lăn trong việc di chuyển, chúng ta có thể thực hiện một số cách sau:
– Sử dụng các loại bánh xe như bánh xe cao su hoặc bánh xe có đạt tiếp xúc rộng hơn sẽ có độ ma sát lăn nhỏ.
– Bảo dưỡng và bôi trơn bánh xe thường xuyên: Đảm bảo rằng các bánh xe được bôi trơn đầy đủ để giảm ma sát giữa bánh xe và mặt đường. Điều này có thể làm bằng cách sử dụng dầu hoặc mỡ thích hợp.
– Giảm trọng lượng của phương tiện như loại bỏ những vật liệu không cần thiết hoặc sử dụng vật liệu nhẹ hơn trong quá trình sản xuất, sẽ giúp giảm lực ma sát lăn.
– Mặt đường và bề mặt bánh xe là nơi tiếp xúc với nhau tại ra ma sát lăn, vì vậy cần loại bỏ bụi bẩn, cát, hoặc các chất cản trở khác khỏi mặt đường và bánh xe để giữ điểm tiếp xúc sạch sẽ. Điều này giúp giảm ma sát và tăng khả năng di chuyển.
– Đảm bảo áp suất lốp phù hợp để tăng tính linh hoạt của bánh xe và giảm lực ma sát lăn.
– Chọn đường di chuyển phù hợp: Lựa chọn các tuyến đường có bề mặt mịn và ít vật cản để giảm lực ma sát lăn.
5. Bài tập về ma sát lăn:
Bài 1 : Ổ bi có tác dụng gì? Tại sao việc phát minh ra ổ bi lại có ý nghĩa quan trọng đến sự phát triển của khoa học và công nghệ?
Đáp án:
– Trong các chi tiết máy, ổ bi có tác dụng làm giảm ma sát giữa trục quay và ổ đỡ.
– Việc sử dụng ổ bi đã thay thế ma sát trượt bằng ma sát lăn của các viên bi làm cho các máy móc hoạt động dễ dàng hơn, góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành động lực học, cơ khí, chế tạo máy..
– Chính vì vậy phát minh ra ổ bi có ý nghĩa quan trọng đến sự phát triển của khoa học và công nghệ.
Bài 2: Hãy giải thích các
a) Khi đi trên sàn gỗ, sàn đá hoa mới lau dễ bị ngã.
b) Ô tô đi vào bùn dễ bị sa lầy.
c) Giầy đi mãi đế bị mòn.
d) Khía rãnh ở mặt lốp ô tô vận tải phải có độ sâu trên 1,6 cm.
e) Phải bôi nhựa thông vào dây cung ở cần kéo nhị.
Đáp án:
a) Khi đi trên sàn gỗ, sàn đá hoa mới lau dễ bị ngã vì lực ma sát giữa sàn nhà với chân người rất nhỏ. Như vậy lực ma sát trong trường hợp này là có ích.
b) Ồ tô đi vào bùn dễ bị sa lầy vì lực ma sát tác dụng lên lốp ô tô quá nhỏ. Như vậy lực ma sát trong trường hợp này là có ích.
c) Giầy đi mãi đế bị mòn là do ma sát giữa mặt đường và đế giày. Như vậy lực ma sát trong trường hợp này là có hại.
d) Khía rãnh ở mặt lốp ô tô vận tải phải có độ sâu trên 1,6 cm nhằm mục đích tăng ma sát giữa mặt đường và lốp ô tô. Như vậy lực ma sát trong trường hợp này là có lợi (để xe chuyển động và để hãm xe lại).
e) Phải bôi nhựa thông vào dây cung ở cần kéo nhị làm tăng ma sát giữa dây cung và dây đàn nhị vậy khi kéo nhị sẽ kêu to. Như vậy lực ma sát trong trường hợp này là có lợi.
Bài 3: Cách làm nào sau đây giảm được lực ma sát?
A. Tăng độ nhám của mặt tiếp xúc.
B. Tăng lực ép lên mặt tiếp xúc.
C. Tăng độ nhẵn giữa các mặt tiếp xúc.
D. Tăng diện tích bề mặt tiếp xúc.
Đáp án:
Chọn C.
Cách làm giảm lực ma sát là tăng độ nhẵn giữa các mặt tiếp xúc.
Bài 4: Câu nào sau đây nói về lực ma sát là đúng?
A. Lực ma sát cùng hướng với hướng chuyển động của vật.
B. Khi vật chuyển động nhanh dần lên, lực ma sát lớn hơn lực đẩy.
C. Khi một vật chuyển động chậm dần, lực ma sát nhỏ hơn lực đẩy.
D. Lực ma sát trượt cản trở chuyển động trượt của vật này trên mặt vật kia.
Đáp án:
Chọn D.
Lực ma sát trượt cản trở chuyển động trượt của vật này trên mặt vật kia.
